一类6维Lorenz型超混沌系统的有限时间驱动-响应同步

2023-11-10

本文基于Lypunov稳定性定理,通过构造Lyapunov函数以及设计提出一非线性反馈控制输入器 u u u,进而实现一类六维Lorenz型混沌系统的有限时间同步。
本文所基于的一类六维Lorenz型超混沌系统可表示如下:
{ x ˙ 1 = h ( x 2 − x 1 ) + x 4 x ˙ 2 = − f x 2 − x 1 x 3 + x 6 x ˙ 3 = − l + x 1 x 2 x ˙ 4 = − x 2 − x 5 x ˙ 5 = k x 2 + x 4 x ˙ 6 = g x 1 + m x 2                          ( 1 ) \left\{ \begin{array}{l} \dot{x}_1=h\left( x_2-x_1 \right) +x_4\\ \dot{x}_2=-fx_2-x_1x_3+x_6\\ \dot{x}_3=-l+x_1x_2\\ \dot{x}_4=-x_2-x_5\\ \dot{x}_5=kx_2+x_4\\ \dot{x}_6=gx_1+mx_2\\ \end{array} \right. \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \left( 1 \right) x˙1=h(x2x1)+x4x˙2=fx2x1x3+x6x˙3=l+x1x2x˙4=x2x5x˙5=kx2+x4x˙6=gx1+mx2                        (1)
( 1 ) (1) (1)作为驱动系统,对应的可以得到响应系统如下:
{ y ˙ 1 = h ( y 2 − y 1 ) + y 4 y ˙ 2 = − f y 2 − y 1 y 3 + y 6 y ˙ 3 = − l + y 1 y 2 y ˙ 4 = − y 2 − y 5 y ˙ 5 = k y 2 + y 4 y ˙ 6 = g y 1 + m y 2                          ( 2 ) \left\{ \begin{array}{l} \dot{y}_1=h\left( y_2-y_1 \right) +y_4\\ \dot{y}_2=-fy_2-y_1y_3+y_6\\ \dot{y}_3=-l+y_1y_2\\ \dot{y}_4=-y_2-y_5\\ \dot{y}_5=ky_2+y_4\\ \dot{y}_6=gy_1+my_2\\ \end{array} \right. \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \left( 2 \right) y˙1=h(y2y1)+y4y˙2=fy2y1y3+y6y˙3=l+y1y2y˙4=y2y5y˙5=ky2+y4y˙6=gy1+my2                        (2)
我们令 e i = y i − x i , ( i = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ) e_i=y_i-x_i,(i=1,2,3,4,5,6) ei=yixi,(i=1,2,3,4,5,6),从而能够得到误差同步系统如下:
{ e ˙ 1 = h ( e 2 − e 1 ) + e 4 e ˙ 2 = − f e 2 − y 1 e 3 − y 3 e 1 + e 1 e 3 + e 6 e ˙ 3 = y 1 e 2 + y 2 e 1 − e 1 e 2 e ˙ 4 = − e 2 − e 5 e ˙ 5 = k e 2 + e 4 e ˙ 6 = g e 1 + m e 2                          ( 3 ) \left\{ \begin{array}{l} \dot{e}_1=h\left( e_2-e_1 \right) +e_4\\ \dot{e}_2=-fe_2-y_1e_3-y_3e_1+e_1e_3+e_6\\ \dot{e}_3=y_1e_2+y_2e_1-e_1e_2\\ \dot{e}_4=-e_2-e_5\\ \dot{e}_5=ke_2+e_4\\ \dot{e}_6=ge_1+me_2\\ \end{array} \right. \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \left( 3\right) e˙1=h(e2e1)+e4e˙2=fe2y1e3y3e1+e1e3+e6e˙3=y1e2+y2e1e1e2e˙4=e2e5e˙5=ke2+e4e˙6=ge1+me2                        (3)
通过构造非线性反馈控制输入器 u = ( u 1 u 2 u 3 u 4 u 5 u 6 ) T u=\left( \begin{matrix} u_1& u_2& u_3& u_4& u_5& u_6\\ \end{matrix} \right) ^T u=(u1u2u3u4u5u6)T
即可使得该系统在有限时间内达到同步。本文所提出的控制器如下:
u ~ ( x 1 , y 1 , z 1 , e ) = { − ( L B V ) T L f V + β V m ∥ L B V ∥ 2 , L B V ≠ 0 0 ,                         L B V = 0 \tilde{u}\left( x_1,y_1,z_1,e \right) =\left\{ \begin{array}{l} -\left( L_BV \right) ^T\frac{L_fV+\beta V^m}{\lVert L_BV \rVert ^2},L_BV\ne 0\\ 0,\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ L_BV=0\\ \end{array} \right. u~(x1,y1,z1,e)={(LBV)TLBV2LfV+βVm,LBV=00,                       LBV=0
其中, V = 1 2 ( e 1 2 + e 2 2 + e 3 2 + e 4 2 + e 5 2 + e 6 2 ) V=\frac{1}{2}\left( e_{1}^{2}+e_{2}^{2}+e_{3}^{2}+e_{4}^{2}+e_{5}^{2}+e_{6}^{2} \right) V=21(e12+e22+e32+e42+e52+e62)
B = ( 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 ) B=\left( \begin{matrix} 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ \end{matrix} \right) B=100000000000001000000100000010000001
该六维混沌系统的相图刻画如下:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
对应的MATLAB实现代码如下:

y0 = [0.5;0.35;0.15;0.05;0.1;0.1];
tspan = 0:0.001:200;
[T,X] = ode45(@dydt,tspan,y0);

figure(1);
plot(X(30:end,1),X(30:end,2),'Color',[0.10,0.05,0.70]);%grid;
xlabel('x1','FontName','Times New Roman','FontSize',24);
ylabel('x2','FontName','Times New Roman','FontSize',24);
figure(2);
plot(X(30:end,2),X(30:end,3),'Color',[0.10,0.05,0.70]);%grid;
xlabel('x2','FontName','Times New Roman','FontSize',24);
ylabel('x3','FontName','Times New Roman','FontSize',24);
figure(3);
plot(X(30:end,3),X(30:end,4),'Color',[0.10,0.05,0.70]);%grid;
xlabel('x3','FontName','Times New Roman','FontSize',24);
ylabel('x4','FontName','Times New Roman','FontSize',24);
figure(4);
plot(X(30:end,4),X(30:end,5),'Color',[0.10,0.05,0.70]);%grid;
xlabel('x4','FontName','Times New Roman','FontSize',24);
ylabel('x5','FontName','Times New Roman','FontSize',24);
figure(5);
plot(X(30:end,5),X(30:end,6),'Color',[0.10,0.05,0.70]);%grid;
xlabel('x5','FontName','Times New Roman','FontSize',24);
ylabel('x6','FontName','Times New Roman','FontSize',24);

function dy = dydt(~,y)

h = 10;l =100;f = 2.7;k = 2;g = -3;m = 1;
dy = zeros(6,1);  

dy(1) = h*(y(2)-y(1))+y(4);
dy(2) = -f*y(2)-y(1)*y(3)+y(6);
dy(3) = -l+y(1)*y(2);
dy(4) = -y(2)-y(5);
dy(5) = k*y(2)+y(4);
dy(6) = g*y(1)+m*y(2);

end

该混沌系统实现同步的一维时间序列图如下:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
其对应的MATLAB实现代码如下:

x0=[61;68;58;-40;63;65;59;35;34;22;42;46]; 
tspan = [0 500];
[t,x]=ode45(@dydt,tspan,x0);

figure(1)
subplot(2,1,1)  
plot(t,x(:,7)-x(:,1),'Color',[0.30,0.10,0.70])
xlabel('t','FontName','Times New Roman','FontSize',20)
ylabel('e_1','FontName','Times New Roman','FontSize',20)
set(gca,'FontName','Times New Roman','FontSize',20,'LineWidth',2)
subplot(2,1,2)  
plot(t,x(:,8)-x(:,2),'Color',[0.30,0.10,0.70])
xlabel('t','FontName','Times New Roman','FontSize',20)
ylabel('e_2','FontName','Times New Roman','FontSize',20)
set(gca,'FontName','Times New Roman','FontSize',20,'LineWidth',2)

figure(2)
subplot(2,1,1)  
plot(t,x(:,9)-x(:,3),'Color',[0.30,0.10,0.70])
xlabel('t','FontName','Times New Roman','FontSize',20)
ylabel('e_3','FontName','Times New Roman','FontSize',20)
set(gca,'FontName','Times New Roman','FontSize',20,'LineWidth',2)
subplot(2,1,2)  
plot(t,x(:,10)-x(:,4),'Color',[0.30,0.10,0.70])
xlabel('t','FontName','Times New Roman','FontSize',20)
ylabel('e_4','FontName','Times New Roman','FontSize',20)
set(gca,'FontName','Times New Roman','FontSize',20,'LineWidth',2)
figure(3)
subplot(2,1,1)  
plot(t,x(:,11)-x(:,5),'Color',[0.30,0.10,0.70])
xlabel('t','FontName','Times New Roman','FontSize',20)
ylabel('e_5','FontName','Times New Roman','FontSize',20)
set(gca,'FontName','Times New Roman','FontSize',20,'LineWidth',2)
subplot(2,1,2)  
plot(t,x(:,12)-x(:,6),'Color',[0.30,0.10,0.70])
xlabel('t','FontName','Times New Roman','FontSize',20)
ylabel('e_6','FontName','Times New Roman','FontSize',20)
set(gca,'FontName','Times New Roman','FontSize',20,'LineWidth',2)
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